CN107384477A - 一种高效低焦油生物质炭气联产装置及联产方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高效低焦油生物质炭气联产装置及联产方法，联产装置包括发生装置和辅助装置，发生装置包括生物质预热装置、气化装置、分离装置、高温裂解装置、催化裂解装置、空气换热装置，辅助装置包括蒸汽过热装置和蒸汽发生装置；联产方法是利用气化装置将生物质热解气化，获得高品质生物炭和生物质燃气，得到的生物质燃气依次经过分离器、高温裂解装置、催化裂解装置、空气换热装置后，获得焦油含量低，燃气热值高的生物质燃气。本发明工艺先进、过程环保、热量利用率高，解决了生物质制炭过程燃气中焦油处理难的问题，实现了生物质炭和生物质燃气的高效低焦油联产。

Description

一种高效低焦油生物质炭气联产装置及联产方法
技术领域
本发明属于生物质气化技术领域，具体地，涉及一种高效低焦油生物质炭气联产装置及联产方法。
背景技术
生物质炭气联产技术基本原理是将生物质在300-600℃热解，生成生物质炭和生物质燃气，其中生物质燃气携带有焦油、灰尘等其他物质。近年来，随着生物质资源的逐步开发利用，生物质炭也得到了越来越广泛的使用，如被用作烧烤炭、保温剂、工业原材料、空气净化剂、水体污染治理材料等；生物质燃气也作为能源用作发电、供热。然而，生物质燃气中携带的焦油由于含有灰尘、不易燃烧、在低温下粘度较高等原因没有得到有效的利用，大部分被视为污染物收集后排放，造成系统能量的损失；同时，焦油极易在管道、阀门、燃烧设备等处聚集，造成管路堵塞，引起设备故障。
目前，国内外对生物质焦油的分离提纯、运输、进一步加工等技术均有研发，但由于生物质焦油产量较小、燃气中焦油彻底分离成本过高，造成焦油后续处理投资大，工业化成本过高，普通企业难以承受。因此，需要一种高效能低焦油生物质炭气联产装置及联产方法来处理掉生物质燃气中的焦油，为后续工艺提供洁净燃气。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高效低焦油生物质炭气联产装置及联产方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种高效低焦油生物质炭气联产装置，包括发生装置和辅助装置，发生装置包括生物质预热装置、气化装置、分离装置、高温裂解装置、催化裂解装置、空气换热装置，辅助装置包括蒸汽过热装置和蒸汽发生装置；
所述生物质预热装置设有高温空气入口、低温空气出口、生物质给料口、生物质出料口，所述生物质预热装置通过生物质出料口连接于气化装置的进料口；所述气化装置另设有高温空气入口、生物质炭出口和燃气出口，所述气化装置通过燃气出口连接于分离装置的进气口；所述分离装置通过燃气出口连接于高温裂解装置的燃气进气口；所述高温裂解装置另设有高温空气入口和燃气出口，所述高温裂解装置通过燃气出口连接于催化裂解装置的燃气入口；所述催化裂解装置另设有蒸汽入口和燃气出口，所述催化裂解装置通过燃气出口连接于空气换热装置的燃气入口；所述空气换热装置另设有空气入口、高温空气出口和燃气出口；
所述蒸汽发生装置设有进水口和蒸汽出口，所述蒸汽发生装置通过蒸汽出口连接于蒸汽过热装置的蒸汽入口；所述蒸汽过热装置通过过热蒸汽出口连接于催化裂解装置的蒸汽入口和蒸汽用户的蒸汽入口。
进一步地，所述高温裂解装置的高温空气入口为高温空气高速喷口。
一种高效低焦油生物质炭气联产方法，包括如下步骤：
S1、将生物质原料通过进料口加入生物质预热装置，生物质通过生物质预热装置预热后加入气化装置内，预热后的生物质在气化装置内与高温空气发生反应，生成生物质燃气及生物质炭；生物质燃气输送入分离装置，生物质炭部分通过气化装置的排炭设施排出，部分被燃气携带；
S2、生物质燃气进入分离装置后，经过分离，分离出的生物质炭进行收集，分离出的生物质燃气依次输送入高温裂解装置、催化裂解装置，经裂解反应将燃气中携带的焦油裂解成小分子，再将裂解反应后的燃气输送入空气换热装置，在空气换热装置内与空气换热后输出；
S3、换热后的高温空气分别送入高温裂解装置、气化装置及生物质预热装置，分别作为高品质氧化剂和生物质预热热源。
所述高温裂解装置4炉内温度为900-1200℃。
所述催化裂解装置5炉内温度为800-1100℃。
所述空气换热装置6将空气换热至500-800℃。
本发明的有益效果：
(1)本发明通过原料预热、高温空气气化、焦油裂解、炭黑气化等过程对生物质进行炭气联产，提高了生物质气化燃气的热值，使其可以达到1700Kcal/Nm3；
(2)本发明以空气为介质，将系统能量回收循环，一部分预热生物质，提高了原料的品质；一部分作为气化剂参与气化反应，高温空气气化降低了原料消耗，提高了燃气产量；一部分作为氧化剂送入高温裂解装置，与常温氧化剂相比大大降低了燃气升温消耗的热量，达到高效联产的效果；
(3)本发明通过对生物质焦油依次进行高温裂解与催化裂解，大大降低了生物质燃气中的焦油含量，燃气中的焦油含量降低至0.1mg/Nm3；
(4)本发明对原料会进行预热过程，使高水分低热值原料也可以进行稳定的气化反应，提高了原料的适应性；
(5)本发明通过在催化裂解装置中引入过热蒸汽，避免了催化剂的失活，使得催化效率高，系统稳定、持续；
(6)本发明采用空气作为换热介质，价格低廉，成本低。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明高效低焦油生物质炭气联产装置的结构示意图。
附图标记说明：1、生物质预热装置；2、气化装置；3、分离装置；4、高温裂解装置；5、催化裂解装置；6、空气换热装置；7、蒸汽过热装置；8、蒸汽发生装置。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
一种高效低焦油生物质炭气联产装置，包括发生装置和辅助装置，如图1所示，发生装置包括生物质预热装置1、气化装置2、分离装置3、高温裂解装置4、催化裂解装置5、空气换热装置6，辅助装置包括蒸汽过热装置7和蒸汽发生装置8；
生物质预热装置1设有高温空气入口、低温空气出口、生物质给料口、生物质出料口，生物质预热装置1对生物质进行预热，除去原料外在水分，可选用空气预热器，生物质预热装置1通过生物质出料口连接于气化装置2的进料口；气化装置2对预热过的生物质进行燃烧气化，可选用生物质气化炉，气化装置2另设有高温空气入口、排炭出口和燃气出口，高温空气入口进入的高温空气与生物质反应，排炭口排出气化过程产生的部分生物质炭，气化装置2通过燃气出口连接于分离装置3的进气口；分离装置3对气化装置2输送过来的生物质燃气进行炭气分离处理，分离装置3采用绝热结构，分离装置3另设有生物质炭出料口和燃气出口，生物质炭出料口用于排出被燃气携带出气化装置2的生物质炭，分离装置3通过燃气出口连接于高温裂解装置4的燃气进气口；高温裂解装置4对生物质燃气携带的生物质焦油进行高温裂解，使生物质焦油裂解为小分子，可选用高温裂解炉，高温裂解装置4采用绝热结构，高温裂解装置4另设有高温空气入口和燃气出口，高温空气入口为高温空气高速喷口，高温裂解装置4通过燃气出口连接于催化裂解装置5的燃气入口；催化裂解装置5在催化剂存在的条件下进一步对生物质焦油进行催化裂解，催化裂解装置5采用绝热结构，催化裂解装置5内添加添加氧化铝球、白云石和石灰石颗粒，催化裂解装置5另设有蒸汽入口和燃气出口，催化裂解装置5通过燃气出口与空气换热装置6连通；空气换热装置6将高温燃气与空气换热，既可以对高温燃气降温处理，又可以得到高温空气，高温空气可作为热源和氧化剂，空气换热装置6另设有空气入口、高温空气出口和燃气出口，燃气经过空气换热装置6与空气进行换热后输出；
蒸汽发生装置8是利用热能把水加热成为蒸汽的设备，可选用锅炉，蒸汽发生装置8设有进水口和蒸汽出口，蒸汽发生装置8通过蒸汽出口连接于蒸汽过热装置7的蒸汽入口；蒸汽过热装置7将蒸汽从饱和温度进一步加热至过热温度，蒸汽过热装置7通过过热蒸汽出口连接于催化裂解装置5的蒸汽入口和蒸汽用户，蒸汽过热装置7通过对蒸汽发生装置8输送过来的蒸汽进行过热处理，再将过热蒸汽输送入催化裂解装置5加速催化裂解反应。
一种高效低焦油生物质炭气联产方法，包括如下步骤：
S1、将生物质原料通过进料口加入生物质预热装置1，生物质通过生物质预热装置1预热后加入气化装置2内，预热后的生物质在气化装置2内与高温空气发生反应，生成生物质燃气及生物质炭；生物质燃气输送入分离装置3，生物质炭部分通过气化装置2的排炭设施排出，部分被燃气携带；
S2、生物质燃气进入分离装置3后，经过分离，分离出的生物质炭进行收集，分离出的生物质燃气依次输送入高温裂解装置4、催化裂解装置5，经裂解反应将燃气中携带的焦油裂解成小分子，再将裂解反应后的燃气输送入空气换热装置6，在空气换热装置6内与空气换热后输出；
S3、换热后的高温空气分别送入高温裂解装置4、气化装置2及生物质预热装置1，分别作为高品质氧化剂和生物质预热热源。
高温裂解装置4炉内温度为900-1200℃。
催化裂解装置5炉内温度为800-1100℃。
空气换热装置6将空气换热至500-800℃。
本发明的原理：
生物质制备生物质炭的反应温度要求控制在400-700℃，然而此温度正是生物质焦油析出温度的峰值区间，部分生物质的焦油析出量极高，占30-60％。生物质焦油被认为是一种大分子量的有机物，黑褐色，具有较高的热值，其成分非常复杂，可以分析出100多种组分，包括：苯、甲苯、二甲苯、苯乙烯、萘、酚等。生物质焦油在200℃以下为液态，300℃以上为气态，高温下分解成小分子气体，如：CO、H2、CH4、C2H4等。
在高温裂解和催化裂解焦油的过程中，焦油会生成炭黑粘附在反应装置器壁和催化剂表面上，造成反应装置故障和催化剂失活，影响系统的稳定运行及催化效率。
本发明利用气化装置将生物质在高温下进行热解气化，得到的生物质燃气依次通过高温裂解装置(900-1200℃)和催化裂解装置(800-1100℃)。通过高温裂解及催化裂解两种方式将生物质焦油完全裂解成为小分子气体。由于焦油裂解温度极高，在无外界能量供给时需要将燃气的部分化学热转化为显热，造成燃气热值的降低。而本发明回收高温燃气显热预热空气和生产过热蒸汽，高温空气裂解焦油、过热蒸气和炭黑进行气化反应补充燃气损失的化学热。从能量守恒的角度分析：系统收入能量为生物质物理热、化学热，系统支出能量为燃气的物理热、化学热。本发明通过降低燃气的物理热，以提高燃气的化学热。
本发明以空气为介质，将系统能量回收循环：一部分预热生物质，提高了原料的品质；一部分作为气化剂参与气化反应，相比于常温空气气化，高温空气气化降低了原料消耗，提高了燃气产量；一部分作为氧化剂送入高温裂解装置，与常温氧化剂相比大大降低了燃气升温消耗的热量；在催化裂解装置中通入过热蒸汽与焦油裂解产生的炭黑反应，避免了催化剂失活及效率下降；同时，本发明通过高温裂解装置和催化裂解装置将生物质燃气携带的绝大部分生物质焦油裂解成小分子气体，避免了空气换热装置的污染，增加了空气换热装置的稳定性和换热效率。
实施例1
原料玉米秸秆，含水率约40％，经由原料预热装置预热后温度升至150℃，水分降为18％，加入气化装置和600℃高温空气发生热解气化反应，生成生物质炭和生物质燃气，燃气经分离器分离出生物炭和灰后送往高温裂解装置和催化裂解装置，分别控制裂解温度在1000℃和900℃，裂解后的燃气送往空气换热装置将空气换热至600℃，蒸汽过热装置过热蒸汽出口600℃，燃气中焦油含量≤0.08mg/Nm3。
实施例2
原料竹屑，含水率约30％，经由原料预热装置预热后温度升至150℃，水分降为12％，加入气化装置和750℃高温空气发生热解气化反应，生成生物质炭和生物质燃气，燃气经分离器分离出生物炭和灰后送往高温裂解装置和催化裂解装置，分别控制裂解温度在1100℃和950℃，裂解后的燃气送往空气换热装置将空气换热至700℃，蒸汽过热装置过热蒸汽出口650℃，燃气中焦油含量≤0.1mg/Nm3。
实施例3
原料稻壳，含水率约25％，经由原料预热装置预热后温度升至160℃，水分降为12％，加入气化装置和550℃高温空气发生热解气化反应，生成生物质炭和生物质燃气，燃气经分离器分离出生物炭和灰后送往高温裂解装置和催化裂解装置，分别控制裂解温度在1000℃和900℃，裂解后的燃气送往空气换热装置将空气换热至550℃，蒸汽过热装置过热蒸汽出口500℃，燃气中焦油含量≤0.06mg/Nm3。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (7)

1.一种高效低焦油生物质炭气联产装置，其特征在于，包括发生装置和辅助装置，发生装置包括生物质预热装置(1)、气化装置(2)、分离装置(3)、高温裂解装置(4)、催化裂解装置(5)、空气换热装置(6)，辅助装置包括蒸汽过热装置(7)和蒸汽发生装置(8)；
所述生物质预热装置(1)设有高温空气入口、低温空气出口、生物质给料口、生物质出料口，所述生物质预热装置(1)通过生物质出料口连接于气化装置(2)的进料口；所述气化装置(2)另设有高温空气入口、生物质炭出口和燃气出口，所述气化装置(2)通过燃气出口连接于分离装置(3)的进气口；所述分离装置(3)通过燃气出口连接于高温裂解装置(4)的燃气进气口；所述高温裂解装置(4)另设有高温空气入口和燃气出口，所述高温裂解装置(4)通过燃气出口连接于催化裂解装置(5)的燃气入口；所述催化裂解装置(5)另设有蒸汽入口和燃气出口，所述催化裂解装置(5)通过燃气出口连接于空气换热装置(6)的燃气入口；所述空气换热装置(6)另设有空气入口、高温空气出口和燃气出口；
所述蒸汽发生装置(8)设有进水口和蒸汽出口，所述蒸汽发生装置(8)通过蒸汽出口连接于蒸汽过热装置(7)的蒸汽入口；所述蒸汽过热装置(7)通过过热蒸汽出口连接于催化裂解装置(5)的蒸汽入口和蒸汽用户的蒸汽入口。
2.如权利要求1所述的一种高效低焦油生物质炭气联产装置，其特征在于，所述高温裂解装置(4)的高温空气入口为高温空气高速喷口。
3.如权利要求1所述的一种高效低焦油生物质炭气联产装置，其特征在于，所述分离装置(3)、高温裂解装置(4)、催化裂解装置(5)均采用绝热结构；催化裂解装置(5)内添加氧化铝球、白云石和石灰石颗粒。
4.一种如权利要求1所述的高效低焦油生物质炭气联产方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、将生物质原料通过进料口加入生物质预热装置(1)，生物质通过生物质预热装置(1)预热后加入气化装置(2)内，预热后的生物质在气化装置(2)内与高温空气发生反应，生成生物质燃气及生物质炭；生物质燃气输送入分离装置(3)，生物质炭部分通过气化装置(2)的排炭设施排出，部分被燃气携带；
S2、生物质燃气进入分离装置(3)后，经过分离，分离出的生物质炭进行收集，分离出的生物质燃气依次输送入高温裂解装置(4)、催化裂解装置(5)，经裂解反应将燃气中携带的焦油裂解成小分子，再将裂解反应后的燃气输送入空气换热装置(6)，在空气换热装置(6)内与空气换热后输出；
S3、换热后的高温空气分别送入高温裂解装置(4)、气化装置(2)及生物质预热装置(1)，分别作为高品质氧化剂和生物质预热热源。
5.如权利要求4所述的一种高效低焦油生物质炭气联产方法，其特征在于，所述高温裂解装置(4)炉内温度为900-1200℃。
6.如权利要求4所述的一种高效低焦油生物质炭气联产方法，其特征在于，所述催化裂解装置(5)炉内温度为800-1100℃。
7.如权利要求4所述的一种高效低焦油生物质炭气联产方法，其特征在于，所述空气换热装置(6)将空气换热至500-800℃。
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